Evolution of sedimentary systems during the Late Cretaceous in the northwestern margin of South America: factors, processes and events that controlled sedimentary infilling of basins

Abstract

The Cretaceous was a geological period in which several global events occurred synchronously, including the formation of Large Igneous Provinces (LIPs), Oceanic Anoxic Events (OAEs), eustatic changes, and finally the impact of an asteroid at the Cretaceous-Paleogene boundary. In the extreme NW of South America, two different geological domains developed during this period. A western domain of allochthonous origin, directly related to the evolution of the Caribbean Plate, which accreted at the margin of South America during the Late Cretaceous, and an autochthonous eastern domain associated with the South American Plate. The geological history of each domain and their subsequent interaction allowed the simultaneous establishment of two regional sedimentary basins during the Campanian-Maastrichtian, a forearc basin in the west and a backarc basin in the east, separated by a central volcanic arc formed by subduction between the Caribbean and South American plates. Both basins share a geological history during this period, preserving the record of the processes, factors and events that controlled the accumulation of sediments, associated with the collision of the Caribbean Plate. During this period, the western forearc basin was relatively homogeneous in terms of sedimentary environments and types of deposits. It was characterized by the dominance of deep marine environments, accumulating from coarse-grained deposits associated with submarine canyons and basin-floors fan lobes, to fine-grained deposits related to abyssal plains, through turbiditic and suspended fall-out depositional processes, respectively. The bottoms of this basin were colonized by a relatively homogeneous tracemakers community, characterized by a low diversity and abundance, irregularly distributed within the basin, but without significant variations in relation to the deposits. This community is represented by several ichnotaxa, such as Chondrites, Nereites, Phycodes, Phycosiphon, Planolites, Sphyrophyton, Thalassinoides and Zoophycos, belonging to the Zoophycos ichnofacies. The main paleoenvironmental (i.e., depositional and ecological) parameters that controlled the establishment and development of this macrobenthic community were hydrodynamic energy and oxygenation. In the eastern backarc basin, which was an epeiric basin throughout the Cretaceous, known as the La Luna epeiric sea during the Late Cretaceous, the sedimentary environments, types of deposits and depositional processes were highly variable in relation to the final stages of the marine basin filling. According to this variability, three sectors are distinguished in the basin: western, central and eastern, which behaved differently in terms of sedimentation at the same time. During the early Campanian, the western sector represented the most distal environments of the basin, where mainly finegrained sediments accumulated by suspended fall-out in shelf environments. The central sector was dominated by the accumulation of sandy deposits by wave processes in shoreface environments. The eastern sector was characterized by fluvial and wave processes that accumulated coarse-grained deposits in fluvial-dominated delta-front environments. In the late Campanian, a major change is recorded in the central and eastern sectors of the basin. The western sector continued to represent the most distal environments of the basin, with suspension sedimentation in shelf environments, while the central and eastern sectors accumulated fine-grained deposits by suspended-fall-out and fluvial processes in offshore and fluvial-dominated prodelta environments, respectively. In the early Maastrichtian, the central and eastern sectors change again. Fine-grained sedimentation continues in the western sector, dominated by suspended fallout and wave processes in shelf and offshore environments, while in the central and eastern sectors sandy deposits associated with wave and fluvial processes accumulate again in shoreface and fluvial-dominated deltaic front environments, respectively. At the end of the Maastrichtian, fluvial processes dominated in the three sectors, associated with different systems, such as fan delta complexes and anastomosed rivers in the west, mainly characterized by conglomeratic and sandy deposits, and lacustrine and deltaic systems in the central and eastern parts, mainly accumulating mudstones and coals. Specifically, the conglomeratic deposits of the fan delta complexes in the west were formed by three adjacent sedimentary systems, such as distal alluvial fans, distributary fluvial channel systems and marine-influenced mouth bars. Debris flows and laminar flows characterized the distal alluvial fans, while fining-upward successions generated by traction processes represented the channel fills of the distributary fluvial systems. Deposits with coarsening-upward trends, with structures associated with oscillatory processes and bioturbation of marine origin, formed the marine-influenced mouth bars. These changes in the sedimentary environments and depositional processes determined a variable response of the macrobenthic tracemaker communities that colonized the bottoms of this backarc basin, showing two important moments of colonization, one in the early Campanian and the other in the early Maastrichtian. In the early Campanian, only Thalassinoides are punctually recorded in the western sector, while in the central and eastern sectors macrobenthic tracemaker communities are established with higher and lower development, respectively. In the central sector an abundant and diverse macrobenthic community develops, represented by Arenicolites, Arthrophycus, Asterosoma, Crossopodia, Cylindrichnus, Diplocraterion, Gordia, Helminthopsis, Laevicyclus, Ophiomorpha, Phycodes, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Rosselia, Scolicia, Skolithos, Teichichnus, Thalassinoides and Zoophycos, assigned to the Cruziana ichnofacies. The record from the eastern sector was comparatively less diverse and abundant, represented by Ophiomorpha, sometimes in monospecific association, Rhizocorallium and Thalassinoides, associated with the Rosselia ichnofacies. In the late Campanian, the seafloor of this basin presented unfavorable conditions for the colonization by macrobenthic tracemakers, as suggested by the absence of bioturbation. In the early Maastrichtian, the bottoms in all three sectors of the basin were again occupied by a diverse and abundant tracemaker community. In the western sector an assemblage composed of Arenicolites, Asterosoma, Chondrites, Gyrochorte, ?Gyrolithes, Ophiomorpha, Palaeophycus, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Schaubcylindrichnus, Scolicia, Skolithos, Spongeliomorpha, Taenidium, Teichichnus, and Thalassinoides belonging to the Cruziana ichnofacies, suggest favorable paleoenvironmental conditions at the bottom. Favorable living parameters can also be interpreted for the central sector, with an assemblage composed of Arenicolites, Arthrophycus, Asterosoma, Crossopodia, Cylindrichnus, Diplocraterion, Gordia, Helminthopsis, Laevicyclus, Ophiomorpha, Phycodes, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Rosselia, Scolicia, Skolithos, Teichichnus, Thalassinoides and Zoophycos also associated with the Cruziana ichnofacies. In the eastern sector, Conichnus, Ophiomorpha, Palaeophycus, Planolites, Rhizocorallium, Skolithos, Taenidium, Teichichnus, and Thalassinoides associated with the Rosselia ichnofacies represent the macrobenthic community activity on this side of the basin. In the late Maastrichtian, associated with the dominance of fluvial conditions, the bottoms were poorly colonized. The Ophiomorpha ichnofabrics identified in the fan delta complex deposits of the western sector suggest short episodes where marine conditions dominated over prevailing fluvial conditions. The main factors that controlled the establishment and development of tracemaker macrobenthic communities in this backarc basin during the Campanian-Maastrichtian were the energy associated with wave processes that continuously agitated the bottoms in the western and central sectors, the constant input of organic matter, salinity and turbidity in the eastern sector, and relative sea-level changes, possibly associated with channel avulsion or local tectonic phenomena. The two basins, forearc to the west and backarc to the east, although coeval and separated by the same volcanic arc, developed stratigraphically in different ways in response to the variable influence of allogenic and autogenic controls. In the larger forearc basin, there was a more extensive redistribution of sediment, whereas the backarc basin, bounded at both sides by emerged input areas, received more sediment and had less space for its redistribution, resulting in the amalgamation of sediments and generating the wide variability of sedimentary environments and processes. This, together with a higher erosion rate on the eastern flank —directly connected to the backarc basin— compared to the western flank —directly connected to the forearc basin— of the volcanic arc associated with differential uplift, were important depositional factors in the filling of the basins. Bottom and alongshore currents, tides and upwelling phenomena were other processes that acted only in the eastern backarc basin.

El Cretácico fue una época geológica en la que ocurrieron diversos eventos globales de manera sincrónica, entre los que destacan, el origen de Grandes Provincias Ígneas (LIPs), los Eventos Anóxicos Oceánicos (OAEs), cambios eustáticos, y finalmente el impacto del asteroide en el límite Cretácico-Paleógeno. En el extremo NW de Suramérica, dos dominios geológicos diferentes se desarrollaron durante esta época. Un dominio occidental con un origen alóctono, relacionado directamente con la evolución de la Placa Caribe, que se acrecentó en el margen de Suramérica durante el Cretácico Tardío, y un dominio oriental autóctono asociado con la Placa Suramericana. La historia geológica particular de cada dominio y posteriormente su interacción, permitió el establecimiento coetáneo de dos cuencas sedimentarias regionales durante el Campaniense- Maastrichtiense, una de antearco (forearc) al occidente y otra de retroarco (backarc) al oriente, separadas por un arco volcánico central, formado por la subducción entre las placas Caribe y Suramericana. Ambas cuencas comparten una historia geológica durante este periodo, preservando el registro de los procesos, factores y eventos, que controlaron la acumulación de sedimentos, asociados con la colisión de la Placa Caribe. Para este periodo, la cuenca occidental de antearco fue relativamente homogénea en términos de ambientes sedimentarios y tipos de depósitos. Esta se caracterizó por el dominio de ambientes marinos profundos, acumulando desde depósitos de grano grueso asociados con cañones y abanicos submarinos, hasta depósitos de grano fino asociados con llanuras abisales, a través de procesos deposicionales turbidíticos y de suspensión, respectivamente. Los fondos de esta cuenca fueron colonizados por una comunidad de organismos generadores de trazas relativamente homogénea, caracterizada por presentar baja diversidad y abundancia, distribuida de manera irregular dentro de la misma, pero sin variaciones importantes en relación con los depósitos. Esta comunidad estuvo representada por organismos generadores de Chondrites, Nereites, Phycodes, Phycosiphon, Planolites, Sphyrophyton, Thalassinoides y Zoophycos, pertenecientes a la icnofacies de Zoophycos. Los principales parámetros paleoambientales (i.e., deposicionales y ecológicos) que controlaron el establecimiento y desarrollo de estas comunidades macrobentónicas fueron la energía hidrodinámica y la oxigenación. En la cuenca oriental de retroarco, la cual fue una cuenca epírica durante todo el Cretácico, conocido como mar epírico La Luna durante el Cretácico tardío, los ambientes sedimentarios, tipos de depósitos y procesos deposicionales fueron altamente variables, en relación con las etapas finales de relleno de la cuenca marina. De acuerdo con esta variabilidad, se diferencian tres sectores en la cuenca: occidental, central y oriental, los cuales, en términos de sedimentación, se comportaron coetáneamente de manera diferente. En el Campaniense temprano, el sector occidental representó los ambientes más distales de la cuenca, donde se acumularon principalmente sedimentos de grano fino por suspensión en ambientes de plataforma. En el sector central dominó la acumulación de depósitos arenosos a través de procesos de oleaje en ambientes de shoreface. El sector oriental estuvo caracterizado por procesos fluviales y de oleaje que acumularon depósitos de grano grueso en ambientes de frente de delta fluvio-dominados. En el Campaniense tardío se registra un cambio importante en los sectores central y oriental de la cuenca. El sector occidental continuó representando los ambientes más distales de la cuenca, con sedimentación por suspensión en un ambiente de plataforma, mientras que en los sectores central y oriental se acumularon depósitos de grano fino por procesos de suspensión y fluviales, en ambientes de offshore y prodelta fluvio-dominado, respectivamente. En el Maastrichtiense temprano los sectores central y oriental vuelven a cambiar. Continúa la sedimentación fina en el sector occidental, dominada por procesos de suspensión y oleaje en ambientes de plataforma y offshore, mientras que en los sectores central y oriental se acumulan nuevamente depósitos arenosos asociados a procesos de oleaje y fluviales en ambientes de shoreface y frente deltaico fluvio-dominado, respectivamente. A finales del Maastrichtiense, los procesos fluviales dominaron en los tres sectores, asociados a diferentes sistemas, como complejos de abanico deltaico (fan delta complex) y ríos anastomosados al occidente, caracterizados principalmente por depósitos conglomeráticos y arenosos, y sistemas lacustres y deltaicos en la parte central y oriental, los cuales acumularon principalmente lodolitas y carbones. De manera específica, los depósitos conglomeráticos de los complejos de abanico deltaico en el occidente estaban formados por tres sistemas sedimentarios adyacentes, como fueron abanicos aluviales distales, sistemas de canales fluviales distributarios y barras de desembocaduras con influencia marina. Los flujos de escombros y flujos laminares caracterizaron los abanicos aluviales distales, mientras que sucesiones granodecrecientes generadas por procesos de tracción, representaron los rellenos de canales de los sistemas fluviales distributarios. Depósitos con tendencias granocrecientes, con estructuras asociadas a procesos de oscilación y con bioturbación de origen marino, conformaron las barras de desembocadura con influencia marina. Estos cambios en los ambientes sedimentarios y procesos deposicionales determinaron una respuesta variable de las comunidades macrobentónicas bioturbadoras que colonizaron los fondos de esta cuenca de retroarco, mostrando dos momentos importantes de colonización, uno en el Campaniense temprano y otro en el Maastrichtiense temprano. En el Campaniense temprano, el sector occidental sólo registra puntualmente Thalassinoides, mientras en los sectores central y oriental se establecen comunidades macrobentónicas generadoras de trazas con mayor y menor desarrollo, respectivamente. En el sector central se desarrolla una abundante y diversa comunidad macrobentónica, representada por Arenicolites, Arthrophycus, Asterosoma, Crossopodia, Cylindrichnus, Diplocraterion, Gordia, Helminthopsis, Laevicyclus, Ophiomorpha, Phycodes, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Rosselia, Scolicia, Skolithos, Teichichnus, Thalassinoides y Zoophycos, asignada a la icnofacies de Cruziana. El registro del sector oriental fue comparativamente poco diverso y abundante, representado por Ophiomorpha, en ocasiones en asociación monoespecífica, Rhizocorallium y Thalassinoides, asociados a la icnofacies de Rosselia. En el resto del Campaniense, los fondos marinos de esta cuenca presentaron condiciones desfavorables para la colonización de los organismos macrobentónicos bioturbadores, tal y como lo sugiere la usencia de bioturbación. En el Maastrichtiense temprano, los fondos son nuevamente habitados por una diversa y abundante comunidad generadora de trazas, en esta ocasión en los tres sectores de la cuenca. En el sector occidental una asociación compuesta por Arenicolites, Asterosoma, Chondrites, Gyrochorte, ?Gyrolithes, Ophiomorpha, Palaeophycus, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Schaubcylindrichnus, Scolicia, Skolithos, Spongeliomorpha, Taenidium, Teichichnus, y Thalassinoides pertenecientes a la icnofacies de Cruziana, sugiere condiciones paleoambientales favorables en el fondo. Buenas condiciones de vida pueden también interpretarse para el sector central, con una asociación compuesta por Arenicolites, Arthrophycus, Asterosoma, Crossopodia, Cylindrichnus, Diplocraterion, Gordia, Helminthopsis, Laevicyclus, Ophiomorpha, Phycodes, Planolites, Protovirgularia, Rhizocorallium, Rosselia, Scolicia, Skolithos, Teichichnus, Thalassinoides y Zoophycos asociada también a la icnofacies de Cruziana. En el sector oriental, trazas de Conichnus, Ophiomorpha, Palaeophycus, Planolites, Rhizocorallium, Skolithos, Taenidium, Teichichnus, y Thalassinoides asignadas a la icnofacies de Rosselia representan la actividad de la comunidad macrobentónica en este lado de la cuenca. En el Maastrichtiense tardío, asociado al dominio de condiciones fluviales, los fondos fueron poco colonizados. Icnofábricas de Ophiomorpha identificadas en los depósitos de los complejos de abanico deltaico del sector occidental sugieren episodios cortos donde predominaron las condiciones marinas sobre las condiciones fluviales preponderantes. Los principales factores que controlaron el establecimiento y desarrollo de las comunidades macrobentónicas generadoras de trazas en esta cuenca de retroarco durante el Campaniense-Maastrichtiense fueron la energía asociada a los procesos de oleaje, que agitaban continuamente los fondos en los sectores occidental y central, el constante aporte de materia orgánica, la salinidad y la turbidez en el sector oriental, y cambios relativos del nivel del mar, posiblemente relacionados con la avulsión de canales o con fenómenos tectónicos locales. Ambas cuencas, de antearco al occidente y de retroarco al oriente, aunque coetáneas y separadas por el mismo arco volcánico, evolucionaron estratigráficamente de manera diferente, en respuesta a la influencia variable de controles alogénicos y autogénicos. En la cuenca de antearco, de mayor tamaño, se produjo una redistribución más extensa del sedimento, mientras la cuenca de retroarco, limitada a ambos bordes por áreas de aporte emergidas, recibía mayor cantidad de sedimento y tenía menor espacio para su redistribución, dando lugar a la amalgamación de sedimentos y generando la amplia variabilidad de ambientes y procesos sedimentarios. Esto, acompañado de una mayor tasa de erosión en el flanco oriental —conectado directamente con la cuenca de retroarco— comparado con el flanco occidental —conectado directamente a la cuenca de antearco— del arco volcánico asociado a levantamientos diferenciales, fueron factores deposicionales importantes en el relleno de las cuencas. Corrientes de fondo, así como a lo largo de la costa, mareas y fenómenos de surgencia fueron otros procesos que actuaron únicamente en la cuenca oriental de retroarco.